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Economia & Energia
No 22 - Setembro-Outubro 2000
ISSN 1518-2932

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Módulo  de Conversão de Energia Final em  Equivalente

1 - Necessidade de Expressar Energia de Maneira Adequada às Projeções

As relações economia e energia sempre foram base de projeções de demanda. As crises do preço do petróleo da década de setenta e as preocupações ecológicas introduziram importantes mudanças na forma de uso da energia. Em particular, nos países mais desenvolvidos foi verificada uma sensível redução do coeficiente energia / produto.

Esta redução foi devida principalmente às melhorias na eficiência de uso, mas também se deveu às mudanças na estrutura de produção. Por este motivo torna-se conveniente o uso de coeficientes energia/produto setoriais.

Outro fator importante a  levarmos em conta, sobretudo na comparação entre países de diferentes graus de desenvolvimento, é a diferença entre as eficiências praticadas e as possíveis dos diversos combustíveis. Gás natural em fogões modernos e lenha em fogões primitivos apresentam uma diferença de eficiência que vem não somente das características do equipamento, mas das peculiaridades do próprio combustível, como pode demonstrar uma análise baseada na exergia desses combustíveis.

Dadas as notáveis particularidades da Matriz Energética Brasileira, com forte presença da hidreletricidade, do álcool carburante e do carvão vegetal, competindo com formas consideradas “modernas” de energia e a presença, nas últimas décadas, de uma ainda importante participação dos combustíveis tradicionais foi realizado, neste trabalho, um esforço para expressar o uso de energia em uma escala que considere essas diversidades no tempo e entre países. A forma adotada foi o uso do conceito de energia equivalente que torna a razão energia/produto relativamente independente do grau de desenvolvimento dos diversos países e, pelo menos no caso do Brasil, razoavelmente estável ao longo das três últimas décadas.  

2 – Energia Primária, Final e Útil – Revisão de Conceitos

Recentemente, descrevemos sumariamente a conversão para energia útil e equivalente e apresentamos uma forma expedita para avaliação da energia equivalente a partir de dados do Balanço de Energia, no formato da OCDE(R1)[1] e de coeficientes baseados no Balanço de Energia Útil brasileiro (R2)[2].

Descrevemos, a seguir, um resumo sumário dos conceitos usados.

Os balanços energéticos nacionais, utilizados em vários países como instrumento de planejamento e avaliação, classificam as fontes energéticas em primárias, que são os produtos energéticos providos pela natureza na sua forma direta, como o petróleo, gás natural, carvão mineral, minério de urânio, lenha e outros.

Uma primeira contabilidade pode ser realizada a partir do poder calorífico superior desses produtos já que, na grande maioria dos casos, esta energia está sob a forma química. Outras formas de energia primária como: a hidráulica, a eólica,  a solar e a nuclear são tratadas de maneira especial, geralmente, levando em conta sua capacidade de gerar energia motriz ou calor.

Boa parte dos produtos primários, como o petróleo, passam por um processo de transformação que os convertem em formas mais adequadas para os diferentes usos. O local onde se realiza este processo é denominado, genericamente, de centro de transformação.

No caso do petróleo, o centro de transformação são as refinarias, onde são obtidos produtos de uso direto, como a gasolina, o óleo diesel, o querosene, o gás liquefeito e outros, que são classificados como energia secundária. Em alguns casos, uma fonte secundária, como o óleo combustível obtido do petróleo, passa por um outro centro de transformação, onde é convertido em eletricidade.

Em qualquer transformação parte da energia é perdida no processo, geralmente dissipada sob a forma de calor.

Energia final designa a energia tal como é recebida pelo usuário nos diferentes setores, seja na forma primária, seja na secundária. Os balanços energéticos se estruturam de tal forma que se discrimina a energia como:

Primária => Perdas na Transformação + Final;

sendo que a energia final inclui a fração da energia primária de uso direto e a secundária.

Figura 1: Representação esquemática dos fluxos de energia primária, secundária, final e útil com a indicação das perdas nos centros de transformação e no uso final. Nota-se que a energia final inclui a energia primária de uso direto. Em um esquema mais completo devemos considerar ainda outros tipos de perdas, exportações e importações nas diversas etapas, bem como ajustes metodológicos ou de dados.

A Figura 1, descreve, o esquema de um balanço de energia útil em um sistema fechado (sem importações ou exportações nas diversas formas de energia).

A chamada energia final só é final do ponto de vista do setor energético e, grosso modo, representa a forma em que a energia é comercializada. Em cada unidade produtiva, industrial ou agrícola, ou em outro setor de consumo, como o residencial, comercial ou público, a energia tem diferentes usos como: motriz, iluminação, aquecimento, etc.

Para converter a energia, chamada final na forma em que ela é usada, passa-se ainda por um processo que implica em perdas, sendo necessário considerar uma eficiência de uso ou rendimento. No caso do uso motriz, parte da energia é transferida ao eixo do motor e parte é dissipada na forma de calor. Denomina-se rendimento a razão entre essa energia na forma que é usada, denominada energia útil, e a energia final.

3 – Conceito de Energia Equivalente

O conceito de energia equivalente foi utilizado por um grupo inter-ministerial coordenado pelo MME-Brasil na elaboração da Matriz Energética Brasileira como evolução do conceito de energia útil.[3]

Ele consiste em tomar para cada uso um energético equivalente. No caso, tomou-se "óleo combustível equivalente" para os usos de calor de processo e aquecimento direto e de "diesel equivalente" na área de transporte como já vínhamos utilizando nas análises do PROÁLCOOL , o Programa do Álcool Brasileiro da década de 80.

Recentemente, desenvolvemos este conceito para análise da relação energia X atividade econômica em diversos países (R3) [4] e desenvolvemos metodologia simplificada para conversão de balanços de energia final, na apresentação OCDE, em energia equivalente (R4)[5]

Normalmente o "conteúdo energético" de fontes primárias é obtido contabilizando sua capacidade de dissipação de calor no ambiente. Usa-se, para os combustíveis, o "poder calorífico superior".

Como vimos, as fontes primárias são menos aptas ao uso direto e recorre-se a uma operação de transformação que as convertem em fontes secundárias. Diversos combustíveis, primários ou secundários, são convertidos em eletricidade antes do uso final.

Como pode ser visto na Figura 1, a energia final inclui uma fração da energia primária que chega aos consumidores, ou seja:

Energia Final = Energia Secundária + Energia Primária de uso direto.

Nos balanços de energia útil, considera-se, para cada uso j, a eficiência ou rendimento do combustível i, de tal forma que:

Energia Útil(i,j) = Energia Final (i) * Rendimento (i,j),

ou:

EU(i,j) = EF(i) * R (i,j)

Os usos considerados no Balanço de Energia Útil Brasileiro são: força motriz, aquecimento direto, calor de processo, iluminação, eletroquímica e outros.

A partir da distribuição D(i,j) da energia final de cada energético por tipo de uso, tem-se:

EF(i,j) = EF(i) * D(i,j)

Considerando-se a eficiência, para um determinado setor, do energético i no uso j como R(i,j),assim teremos a energia útil definida como:

EU(i,j) = EF(i,j) * R(i,j)

A energia útil, para o mesmo uso, proveniente de diversos energéticos será dada por:

EU(j) =

S EF (i) * D(i,j) * R(i,j)

i

A eficiência média, com que um energético utilizado, será obtida a partir da expressão:

EU(i) = EF (i) *

S * D(i,j) * R(i,j)

j

 

A somatória a direita é o fator de conversão de energia útil em final para o energético i, dadas as distribuições D(i,j) e os rendimentos R(i,j).

A Energia Equivalente é definida como:

Energia Equivalente(i,j) = EU(i,j)/R(io,j)

onde R(io,j) é rendimento no setor considerado do combustível io de referência.

Ou, ainda:

EE(i,j) = EU(i,j)/R(io,j) = EF(i,j) * R (i,j) / R(io,j)

Eleito um energético io de referência teremos, por definição:

EE(i) = EF (i) *

S D(i,j)*R(i,j)/R(io,j) = EF(i)*C(i)

j

Naturalmente, isto é válido para cada  setor econômico considerado (k) e poderíamos escrever:

EE(i,k) = EF(i,k)*C(i,k)

4 – Por quê Energia Equivalente?

Na elaboração de um balanço de energia útil é necessário dispor, para cada setor, como foi visto no item anterior, da energia final utilizada por fonte energética. Para cada uma das fontes é necessário a distribuição pelos diferentes usos e o dos rendimento em cada um desses usos. Desta forma, a soma dos valores em energia útil tem a vantagem de levar em conta os diferentes rendimentos, para um mesmo uso, dos diferentes energéticos.

A utilização da soma em energia útil, das parcelas representando os diferentes usos, apresenta, no entanto, o inconveniente de uma valorização que depende do tipo de uso. Por exemplo, um combustível, como a lenha é usado para gerar calor de processo em uma indústria com eficiência, digamos, de 75%. O óleo diesel é usado, na mesma indústria, para gerar força motriz com uma eficiência de 30%. Quando somados os dois combustíveis, na forma de energia útil, eles aparecem com um fator de mérito que não corresponde à sua potencialidade. Com efeito, o óleo diesel poderia ser usado, com uma eficiência superior à lenha, para calor de processo e, quando usado como força motriz, também apresentaria uma eficiência bastante superior a que seria obtida através da lenha em uma máquina a vapor.

Ou seja, não obstante a sua maior potencialidade, ou por causa dela, a energia final do diesel aparece multiplicada por 0,30  e a da lenha por 0,75.

Para levar em conta essas diferenças utilizamos, além do conceito de energia útil, o conceito de energia equivalente. Neste conceito, a eficiência de cada fonte de energia é comparada para o mesmo uso com a eficiência de uma fonte de referência.

Na maioria dos casos foi usado como referência o gás natural. No exemplo citado: a lenha, o carvão mineral, o óleo combustível – e eventualmente o próprio óleo diesel – seriam comparados, para geração de calor com o gás natural, neste uso. Para uso motriz, o diesel também seria comparado com o gás natural, utilizado para a mesma finalidade.

No caso mencionado, seria considerado para o gás natural uma eficiência de 85% na geração de calor e de 25% como força motriz. As equivalências obtidas seriam mais independentes da forma de uso:

1 tep de lenha -> 0,88 tep de GN (geração de calor)
1 tep de diesel -> 1,2 tep de GN (força motriz)

Ou seja, o rendimento para um energético qualquer é sempre comparado com o rendimento do energético de referência  para o mesmo uso.

A escolha do gás natural, como energético de referência, se deve a sua ampla flexibilidade de uso; nos setores industrial, residencial, comercial e, quando disponível, no agrícola; para todas aplicações como fonte térmica. Para o setor transporte (uso motriz) seria mais lógico usar um combustível líquido de amplo uso (diesel ou gasolina). Cabe ressaltar que a gasolina apresenta, no Balanço de Energia Útil Brasileiro, o mesmo rendimento que o gás natural (GN) no uso rodoviário. Optamos então pelo uso da gasolina como combustível de referência, expressando o resultado em"equivalente ao GN". Nos usos específicos de eletricidade, usamos, para expressar a energia equivalente, procedimento análogo ao utilizado no Balanço Energético Nacional  BEN(R5)[6], para contabilizar a energia hidráulica, que é valorizada com base na energia térmica necessária para gerar um kWh de energia elétrica.

Todos os valores de energia são expressos, neste trabalho, em toneladas equivalentes de petróleo (1tep= 10800 Mcal). Esta unidade é usada, praticamente, em todos os balanços energéticos, por isso preferimos mantê-la em vez de criar uma tonelada equivalente de GN, ou metro cúbico equivalente de GN.

5 - Coeficientes de Conversão para Energia Equivalente

 

Os coeficientes entre energia final e equivalente para cada energético foram obtidos, aplicando-se para o energético e para os diferentes setores  da economia, o coeficiente descrito em 3.

Foram consideradas, para cada setor especificado no balanço energético, eficiências de referência para as quais deveria tender o uso de cada energético fornecido pelo Balanço de Energia Útil 1993 - MME/Brasil. Essas eficiências são as usadas para avaliar o potencial de conservação no Brasil utilizando-se as tecnologias existentes. Como  pretendemos usar as eficiências médias para a intercomparação entre vários países, este segundo conjunto de parâmetros foi considerado mais significativo que os atualmente praticados no Brasil. Além disso, os esforços de conservação de energia tendem a atingir não só um determinado combustível, mas o conjunto deles, afetando menos os valores absolutos que os relativos.

A distribuição por uso de cada energético em um determinado  setor  foi a considerada para o Brasil no ano de 1993. Os coeficientes, assim obtidos, permitiram criar uma tabela de fatores de equivalência, para cada energético e para cada setor, em relação ao GN.

6 – O Balanço em Energia Equivalente

Embora o termo balanço não seja de todo adequado para tratar de energia equivalente – ela não se conserva na transformação – pode-se falar em um balanço de energia equivalente. Neste tipo de “balanço” a transformação de gás natural em eletricidade não geraria perdas e, em alguns casos, pode até haver um ganho ocasional. O Balanço Energético Brasileiro, aliás, já convive com esse problema porque valoriza a eletricidade pelo combustível necessário para gerá-la.

A vantagem de lidar com energia equivalente é poder tratar com mais transparência a substituição dos combustíveis. Por outro lado, essa parece ser, pelos resultados já levantados, a melhor maneira de abordar a relação atividade econômica e uso de energia.

Para fazê-lo elaboramos, a partir dos dados do BEN/MME e dos coeficientes de conversão  um programa que possibilitasse calcular os valores correspondentes em energia equivalente. Isto é feito simplesmente multiplicando os coeficientes, para cada setor e energético, pelos valores correspondentes em energia equivalente. A vantagem do programa é que ele permite retirar rapidamente planilhas por ano, por conta (setor econômico na maioria dos casos) ou por energético. As figuras seguintes ilustram o processo de cálculo.

Figura 2: Anexo do BEN/MME com valores de energia final para o ano de 1993 (visão parcial)

Figura 3 Coeficientes de conversão energia final/energia equivalente.

Figura 4: Valores em energia equivalente, obtidos a partir da multiplicação dos dados da Figura 2 (energia final) pelos coeficientes mostrados na Figura 3

Acionando o botão “Atualizar Dados”, o programa armazena os dados do balanço energético, convertidos em energia equivalente, em uma matriz tridimensional por ano, energético e conta (setor). As Figuras 5 e 6  apresentam visões (parciais) das planilhas geradas por conta e por combustível.

 

Figura 5 Escolha do energético e planilha, gerada em energia equivalente, para eletricidade (visão parcial).

Figura 6: Escolha da “conta” que contem dados de setor ou conjunto de setores. Os valores estão em energia equivalente. O botão “Atualizar Dados” permite introduzir na memória do computador os dados dos balanços de todos os anos, tornando rápida a geração de planilhas.



[1] (R1) - Energy balances of  OECD Countries 1995-1996 - International Energy Agency - OECD - 1998 Edition 349 pag. e Energy Statistics and Balances non-OCDE Countries 1995-1996 - IEA - OCDE

[2] (R2) - Balanço de Energia Útil - Ministério de Minas e Energia MME - Versão Eletrônica 1984

[3] (R3)Metodologia de Projeção de Demanda de energia a partir da Energia Equivalente de Substituição Carlos Feu Alvim et al. – Reunião Brasil/EUA de Planejamento energético – Washington 4 a 6/12/1990]

[4] (R4) Energia, Primária, Final, Útil e Equivalente e Atividade Econômica – Procedimento  Simplificado; Carlos Feu Alvim, Omar Campos Ferreira, Frida Eidelman e José Goldemberg . http://ecen.com/eee16/enerqui.htm

[5] (R5)Energia, Primária, Final, Útil e Equivalente – Processo Simplificado; Carlos Feu Alvim, Omar Campos Ferreira, Frida Eidelman e José Goldemberg http://ecen.com/eee18/enerequi.htm

[6] (R6) - Balanço energético Nacional - BEN - MME - Versão Eletrônica 1999